CN104070755A - 用于太阳能模块的背侧的多层膜 - Google Patents

Abstract

一种用于太阳能电池的背侧的多层膜(1)，包括背向所述太阳能电池的第一外部层(2)、朝向所述太阳能电池的第二外部层(6)、以及处于其之间的载体层(4)，其中在载体层(4)与外部层(2和6)之间分别布置有中间层(3或5)，其特征在于，载体层(4)具有聚合物和填充材料，其中所述填充材料具有纤维，并且其中纤维长度与平均纤维直径的比例为20∶1至5∶1、优选15∶1至5∶1、最优选15∶1至9∶1；以及一种用于制造这样的多层膜(1)的方法，包括称重、反应复合、过滤、共挤出、表面处理以及借助于气刀进行峰谷深度为10-20μm的球状表面构造；以及一种将这样的多层膜(1)用在太阳能电池中的应用。

Description

用于太阳能模块的背侧的多层膜

技术领域

本发明涉及一种用于太阳能模块的背侧的多层膜，其包括背向太阳能电池的第一外部层、朝向太阳能电池的第二外部层、以及处于其之间的载体层，其中分别在载体层与外部层之间布置有中间层。

背景技术

太阳能电池或光伏电池(即太阳能模块的有源部分)是一种通过光伏效应将太阳光转化成电能的电器件。由于如今矿物燃料的问题越来越多，通过可替代和环境友好的方法来获得能量日益变得重要。在此，尤其是通过太阳能电池获得能量是有益的，因为太阳光作为能量源与从诸如风或水之类的潮汐力中得出的能量源相比是最丰富的。出于该原因，对高效太阳能模块的制造存在很大的经济利益。

常规太阳能模块的运行温度在效率最大为10％-14％的情况下处于大致80℃至87℃，其中公知的是，如今使用的半导体材料的光伏效率与运行温度存在直接的依赖性。研究已经表明：将如今的平均运行温度降低1℃将把如今的模块的效率提高大致1.2％。

降低运行温度的一种可能性在于，提高热辐射。这可以从Stefan-Boltzmann定律中导出，其中从主体中辐射的热流对于主体可按下式来计算：

$\stackrel{\·}{Q}=\frac{\∂Q}{\∂t}=\mathrm{\ϵ\σ}{\mathrm{AT}}^4$

在上式中是热流或辐射功率。

ε是发射率，其值可以处于0(完美镜)与1(理想黑体)之间。

σ是Stefan-Boltzmann常数(5.67*10^-8W／m²K⁴)。

A是辐射体的表面。

T是辐射体的温度(以开尔文为单位)。

强度在物理学中表示每单位时间每单位面积的能量、即表面功率密度。因此，热辐射是辐射体的表面大小的函数。

但是对太阳能模块的效率负有主要责任的不仅是光伏元件本身的特性和效率、而且还有安装在太阳能模块背侧的膜，该膜将光伏元件从环境隔开。如上面已经导出的那样，表面特性对能量转化的效率间接地一起负责，因为表面的热辐射对太阳能电池的温度预算和冷却负责。另外，膜的表面特征表征发射率。

不仅背侧膜的表面特性对于太阳能模块是重要的，而且由于将太阳能电池同环境隔开的功能，也对诸如湿度、紫外光、灰尘、机械作用、以及从-40℃到+85℃范围内的极端温度波动之类的外部环境因素提出高要求，这些外部环境因素意味着经常性的要求，并且是背侧膜在没有材料损伤或材料特性妨害的情况下所必须经受的。因此，不允许由于多样的温度变化而导致内部强度的降低、或者导致形成裂缝。针对太阳能模块或背侧膜的诸如IEC61730之类的测试标准包括观察对太阳能电池的老化负责的所有影响参数。除了对太阳能电池和背侧膜的长年物理持久性的要求以外，还要求背侧膜的朝向太阳能电池的一侧的尽可能高的不透明性、尽可能高的形状持久性、以及最大的反射率。这通常是通过不同特性的多个层的层构造来实现的。典型的层构造如下：

-高度反射性保护外部层，其背向光伏元件

-中间层

-载体层(亦称“载体和阻挡层”或“载体片层”)

-中间层

-高度反射性保护外部层，其朝向光伏元件

在此，外部层是高度反射性的、紫外光稳定的、耐环境影响的、耐化学的、长期稳定的、耐腐蚀的、硬的、坚韧的、尺寸稳定的、经表面处理的，并且朝向太阳能电池的外部层附加地具有高光反射性和对乙烯／乙酸乙烯酯共聚物(EVA)的粘附力。中间层是耐紫外光的、耐环境影响的、耐化学的、长期稳定的、坚韧的和尺寸稳定的。载体层形成相对于水的阻挡体，是耐水解的、水蒸气不可透过的、氧气不可透过的、耐紫外光的、耐环境影响的、耐化学的、长期稳定的、抗撞击、抗撕裂、不易破碎的、以及尺寸稳定的。常规而言，膜的各层在内部区域中是由聚酯基或聚烯烃基聚合物制成，并且在外部区域中是由含氟聚合物制成的。公知的是，常常向聚合物中添加填充材料。常规的填充材料是平均纤维长度为90μm的经研磨的纤维，其中所述纤维具有没有标准差限制的正态分布。

在现有技术中，例如从如下专利文献中公知有用于太阳能模块的膜：

DE112009002652T5描述了一种用于太阳能模块的功能膜，其中背侧膜包含基膜和反射性膜，并且反射性膜具有多个不平坦的部分、比如表面上的三角形棱柱轮廓。

US2012／0028060A1描述了一种用于光伏模块的多层背面膜，该光伏模块具有第一和第二外部层以及处于其之间的内部层，其中内部层形成水和氧气阻挡体，并且所有层都由聚合物制成。

EP2410570A2描述了一种用于太阳能模块的多层背面膜，其中层具有结晶度为50％或更小的基于PVDF的聚合物，这导致更好的物理特性。

EP2208755A1描述了一种用于太阳能电池的背面层以及用于制造这样的背面层的方法。为了增强含氟化合物层，作为聚合物填充材料使用颗粒大小为1-4μm的丙烯酸酯聚合物颗粒、乙烯基聚合物颗粒或者氟化聚合物颗粒。

US2011／0247686A1描述了一种多层膜，其由吸收紫外光的粘性层、含氟聚合物层以及中间层构成。

WO2011／009568A1描述了一种用于太阳能模块的基于聚丙烯的背面层。

现有技术中公知的太阳能模块的缺点是相对较小的效率和由极端环境引起的长期影响和温度波动造成损伤的风险。

由于开头提到的关于太阳能模块的较大的经济利益，所期望的是，提高其效率及其材料持久性以及由此提高寿命。

发明内容

因此，本发明所基于的任务是，提供一种用于太阳能模块的具有经改善的物理特性的背侧膜。在此，将在第一方面实现对膜的长期机械特性的改进，以及在另一方面提供一种具有经改进的长期温度持久性的膜，这提高了太阳能电池、以及因此太阳能模块的效率和寿命。

根据本发明，该任务通过如下方式由开头提到类型的用于太阳能模块的背侧的膜来解决：载体层具有聚合物和填充材料，其中该填充材料具有纤维，并且其中纤维长度与平均纤维直径的比例处于20∶1至5∶1、优选15∶1至5∶1、最优选15∶1至9∶1。

通过用于机械增强的填充材料的纤维的纤维长度与纤维直径的所述纵横比，实现了表面相对于体积的扩大。各个填充材料颗粒——在体积不变的情况下——的缩小导致如下颗粒数目的显著增加：所述颗粒具有非常大的比表面(表面-体积比)并且与其周围基质形成大的交界面。急剧提高的表面-体积比导致基质聚合物的形态学被显著改变。这造成经改善的抗撕裂性、经改善的稳定性，并且使该膜总体上更加长期稳定。由此提高了太阳能电池的寿命。同样提高了膜的长期温度持久性，这改善了太阳能电池的效率。

在此，术语“承载膜”的含义等同于等价地使用的术语“阻挡层”、“载体层和阻挡层”、“载体片层”、“阻挡片层”、“载体片层和阻挡片层”。

在一个优选的实施方式中，多层膜的载体层的纤维的纤维长度小于25μm、优选小于12μm、最优选小于4μm。在上述纵横比的情况下，这导致直径主要分布处于纳米范围。如果颗粒的平均主要大小为最优选的纤维长度4μm，则在假定的在大多数情况下优选的纵横比为12∶1的情况下得出330nm的纤维直径作为平均次要大小。由此将比表面提高了数倍，从而由于聚合物填充材料相互作用而发生与也可以被理解成聚合物基质的聚合物的良好结合，并且显著提高了经改性的聚合物边界层占总体积的份额。这对应于从聚合物材料到聚合物边界层材料的过渡。

因此，与具有没有标准差限制的正态分布的纤维长度的常规使用的纤维相比，在相同填充内容和填充材料与聚合物的相同比例的情况下得出结合表面的附加提高。

通过扩大结合面积，得出更佳的结合和机械特性的显著改善、以及对破裂伸长、拉伸伸长、撕裂力和拉伸应力的值的改善、以及对撕开力的提高和对撕裂扩大耐受性的改善。

与常规使用的平均纤维长度为大致90μm的纤维填充材料相比，这意味着，如果以大致相同的纵横比为前提并且使由此得出的平均可用结合表面等于1，则在根据本发明所使用的填充材料的情况下，在载体层中得出22.5倍的结合表面。

由于载体层的纤维的纤维长度分布在正态分布的上部范围中被限制在标准差区间+1σ，因此与在如今的应用中使用的、纤维长度具有没有标准差限制的正态分布的纤维长度的纤维相比——在相同纵横比和相同填充内容的情况下——得出可用结合表面的附加提高。

在根据本发明的膜的一个优选的实施方式中，膜的载体层的填充材料选自由下列各项构成的组：层状硅酸盐、云母、优选经煅烧的云母、硅灰石、氮化硼、高岭土、优选经煅烧的高岭土、蒙托石及其混合物。由此实现了载体层的机械增强，这提高了根据本发明的膜的长寿命。在此，术语“层状硅酸盐”包括下列化合物，其中该列举不应理解成限制性的：硅铁钡矿组、硅钙铁铀钍矿组、鱼眼石组、麦羟硅钠石组、钾锆石组、硅铈钠石组、水硅钙锆石组、水硅钙石组、新硅钙石组、水硅钒钙石组、五角石组、水短柱石组、钠铍沸石组、阿霍石组、单斜锆铯大隅石组、Bussyite-(Ce)、Plumbophyllit组、纤硅碱钙石组、片硅碱钙石组、硅碱钇石组、碳硅碱钙石、滑石组、叶蜡石组、白云母组、金云母组、伊利石组、珍珠云母组、绿脆云母组、蒙脱石组、皂石组、蛭石组、绿泥石组、柯绿泥石组、羟硅铁石组、硅碲铁铅石组、苏尔石组、硫硅铝锌铅石组、高岭石组、多水高岭石组、蛇纹石组、铁铋矿组、蜡硅锰矿组、砷硅锰矿组、坡缕石组、海泡石组、白钙沸石组、水硅钙钾石组、硅钠石组、马水钠硅石组、瓦雷讷石组、水硅钠锰矿组、内硅锰钠石组、沙水硅锰钠石组、叶沸石组、水硅锌钙钾石组、拉隆石组、透锂长石组、硅钡石组、水硅硼钠石组、硅锂钠石组、水硅钠石组、yakovenchukite-(Y)组、钡铝沸石组、瑙云母组、德米斯滕贝尔格石组、氯碳硅钡石组、水铝黄长石组、辉叶矿组、菱硅钾铁石组、黑硬绿泥石组、硫硅石组、氯硅铁铅矿组、铝硅铅矿组、硅钙钡铅石、armbrusterite组、britvinite组、班硅锰石组、柱星叶石组、古水硅钠石组、紫脆石组、白针柱石组、钠铁钛石组、羟硅钾钛石组、middendorfite组。

在另一优选的实施方式中，载体层的填充材料具有5％-70％、优选10％-50％、最优选15％至35％的重量份额。这保证了填充材料的足够结合，以使得膜在环境造成的情况下所遇到的整个温度范围内不会由于过小的拉伸伸长而导致内部强度降低或形成裂缝。

在另一优选的实施方式中，载体层的纤维被用交联剂包封，该交联剂优选地是马来化的梯度共聚物(随机共聚物)，其优选地选自烯烃组。在此，交联剂与术语“固化剂(Schlichten)”等同。常规而言，载体层的纤维被用硅烷、有机钛酸酯或有机锆酸酯包封。用交联剂、即所谓的固化剂进行的包封导致聚合物或聚合物基质与填充材料之间的粘附的改进。轻薄的包封就已经足以实现该效果。通过交联产生的功能性膜与增强材料反应并且使其表面避开空气和水。在此，增强材料应理解成填充材料的等价术语。促粘剂分子、优选OH和／或OR组与相应聚合物基质协调，以便由此保证填料与固化剂和聚合物基质的偶联。通过使用马来化的梯度共聚物(随机共聚物)，实现了与常规使用的交联剂相比经改善的偶联。

在另一优选实施方式中，载体层的聚合物选自由下列各项构成的组：聚酰胺、聚酯、聚烯烃、聚丙烯酸酯、苯(Benzenole)及其混合物。由此，根据本发明的膜获得所期望的特性，比如抗撞击性、刚性、以及形状热稳定性。聚酯组还包括聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、以及聚对苯二甲酸乙二酯(PET)。应将聚烯烃理解成烯烃聚合物。在由此制成的混合物中，还可以使用来自下列单体组的单体：丙烯腈、丙烯酯、丙烯酸酯和苯乙烯。

在另一优选的实施方式中，载体层的共聚物具有聚酰胺、烯烃、优选丙烯、聚丙烯酸酯或苯乙烯的单体单元。这同样改善了在根据本发明的膜的情况下所期望的特性，比如抗撞击性、刚性、以及形状热稳定性。

在另一优选实施方式中，载体层的聚合物是共聚物、嵌段共聚物、优选两嵌段共聚物、更优选地三嵌段共聚物、或其氢化产物。由此，进一步改善了所期望的特性，比如抗撞击性、刚性、以及形状热稳定性。

在另一优选的实施方式中，载体层具有聚合物合金，其中该聚合物合金具有该聚合物和至少一种另外的聚合物，其中该另外的聚合物优选地具有与作为单体单元的聚酰胺或者烯烃、优选丙烯、聚丙烯酸酯或苯乙烯的共聚物。

根据本发明的聚合物合金也可以包含多种不同的聚合物。通过混合(复合)两种或更多种聚合物或共聚物，产生具有特定特性的所谓的聚合混合物(亦称混合物)，所述特定特性的特点尤其是抗撞击性、刚性、以及形状热稳定性。这些特性尤其是通过嵌段共聚物或接枝共聚物的相偶联来实现。这与金属合金类似，其中合金同样可以具有与金属本身所呈现的特性完全不同的特性。因此，例如可以向硬的聚合物相(比如聚丙烯(PP))中添加例如基于聚丁二烯或三元乙丙橡胶(EPDM)的弹性橡胶相。较高的形状热稳定性例如可以通过由聚碳酸酯(PC)和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)构成的聚合物合金来实现。另外的示例是由聚苯醚(PPO)和聚苯乙烯(PS)或聚酰胺(PA)制成的合金，其导致高的温度稳定性和抗撞击性。

在一个优选的实施方式中，该另外的聚合物是与作为单体单元的烯烃、优选丙烯的共聚物。由此实现了对陶瓷和无机填充材料的高粘附力，这导致与具有其他聚合物的聚合物合金相比更高的MVR(熔化体积率“melting volumerate”)。这导致：在混合部分中的共挤压时的熔化工艺期间，该聚合物及早地、即在聚合物合金的所有其他聚合物以前将添入的填充材料交联，将所述填充材料用轻薄的功能性粘接层覆盖，并且与位于无机填充材料上的阳离子、阴离子和／或氢氧化物反应。因此得到增强材料的经改善的偶联，而无需向为了实现同一目标常用的填充材料在实际复合工艺或挤出工艺以前施加固化剂或进行包封。

另外的所添加的共聚物有利地具有至少1％且最大85％、优选1％至30％、最优选1％至5％的重量份额。这保证了填充材料的足够结合，使得膜在环境造成的情况下所遇到的整个温度范围内不会由于过小的拉伸伸长而导致内部强度降低或形成裂缝。

在另一优选的实施方式中，载体层和／或中间层的另外的所添加的聚合物或者所加入的另外的聚合物被羧化、马来化或者与3-环丁烯-1，2-二酮(C₂H₂O₂，亦称环丁酮)接枝。这改善了根据本发明的膜的物理特性，并且促进了聚合物以及由此膜的稳定性。

在另一优选的实施方式中，根据本发明的膜的载体层和／或中间层的聚合物或聚合物合金具有至少25％、优选50％-75％、更优选50％-85％、以及最优选65％-85％的重量份额。由此实现了根据本发明的膜的所期望的强度、抗撕裂性和稳定性。

根据本发明，开头提到的任务还通过一种用于制造用于太阳能电池的多层膜的方法来解决，其中该方法包括称重、反应复合、过滤、共挤出、表面处理、以及借助于气刀进行峰谷深度10-20μm的球状表面构造。在此，通过重量秤输送各种聚合物。在机器吸入聚合物颗粒以后，所述聚合物颗粒在压力下被混合，其中还在压力下进行熔化和聚合。在所述熔融物中，然后添加一种或多种增强材料和／或填充材料。在排气以后，在压力下进行揉搓，并且接着在压力下输送化学材料并且将整个熔融物均匀化。在抽真空以后，重新进行排气，然后进行塑化，然后进行压缩，然后进行熔融物过滤。通过适配器进行到喷嘴的配送和输送。在共挤出以后，然后通过冷却辊进行聚合物熔融物的结晶或部分结晶。接着，进行表面处理，以及确定尺寸。

另外，开头提到的任务通过将根据本发明的多层膜用在太阳能电池中来解决。

附图说明

下面根据在图1至图3中示出的实施例来描述本发明：

图1示出了用于太阳能模块的多层膜的实施例的截面图。

图2a示出了用于太阳能模块的多层膜的第一外部层的俯视图。

图2b示出了其截面图。

图3示出了具有根据本发明的多层背侧膜的太阳能模块的示意性构造。

具体实施方式

在图1中可以看出根据本发明的多层膜1的层构造，其中用2来表示与环境相联系的背向太阳能电池的第一外部层。3表示处于第一外部层2与载体层4之间的中间层。5表示处于载体层4与朝向太阳能电池的第二外部层6之间的另一中间层。载体层4和／或中间层3或5由烯烃共聚物、苯乙烯三嵌段共聚物、苯共聚物构成，并且具有纤维状填充材料。该填充材料具有15％-35％的质量份额。纤维长度与平均纤维直径的比例处于10∶1。平均纤维长度为4μm。作为另一共聚物，向载体层4中的聚合物合金加入马来化的随机共聚物。该共聚物被羧化。该聚合物合金具有65％-85％的质量份额。

根据本发明的示例性多层膜具有球状表面结构，这可以在图2a和图2b中看出。在此，球状表面结构形成作为最高点的山7、以及作为最低点的谷8。峰谷深度、即山7与谷8之间的距离为10-20μm。

图3示出了具有多个太阳能电池9的示例性太阳能模块，所述太阳能电池9被嵌入到嵌入材料10中。该嵌入材料10在背向环境或入射光的一侧与根据本发明的多层膜1接界，以及在朝向环境或入射光的一侧与前侧覆盖体11接界。

在所谓的喷磨机中进行具有高的纵横比的纤维状填充材料的制造。要磨碎的物料由从特殊构造的研磨喷嘴中发出的气束抓住、加速并通过相互的颗粒碰撞而被磨碎。通过定位在研磨室中的汲取管，微粉化的粉末经历静态筛分。精细的产物从机器中筛出，过于粗大的颗粒经历重新的研磨载荷。所期望的研磨精细度的调整通过射束负荷、即产物吞吐量来进行。制造方法通过将筛轮合并入制造工艺中来优化，在所述制造工艺中，“研磨”和“筛分”功能彼此分开。在该所谓的动态风筛器(一种机械分离方法)的情况下，颗粒根据其惯性或重力与气流中的流动阻力的比例而被分离。这是一种分类方法，并且利用了重力或离心力分离的原理。精细的颗粒遵循该流动，而粗大的颗粒遵循重力。

通过激光衍射测定法、即最常使用的方法来进行颗粒大小的确定。该方法的优点是从几纳米直到几毫米的极大测量范围。因此，可以测量纳米颗粒、微颗粒和宏颗粒或者这些体系的混合物。测量结果作为分布曲线来说明，其优点是，不仅获得关于平均颗粒大小的陈述，而且还获得关于样本中的最小、尤其是最大颗粒的信息。此外，可以识别其是几个颗粒群体(单峰分布)还是多个颗粒群体(多峰)。

Claims (13)

1.一种用于太阳能模块的背侧的多层膜(1)，包括背向所述太阳能电池的第一外部层(2)、朝向所述太阳能电池的第二外部层(6)、以及处于所述第一外部层(2)与所述第二外部层(6)之间的载体层(4)，其中在所述载体层(4)与所述外部层(2和6)之间分别布置有中间层(3或5)，其特征在于，所述载体层(4)具有聚合物和填充材料，其中所述填充材料具有纤维，并且其中纤维长度与平均纤维直径的比例为20∶1至5∶1、优选15∶1至5∶1、最优选15∶1至9∶1。

2.如权利要求1所述的多层膜(1)，其特征在于，所述载体层(4)的纤维的平均纤维长度小于25μm、优选小于12μm、最优选小于4μm。

3.如权利要求1或2所述的多层膜(1)，其特征在于，所述载体层(4)的填充材料选自由下列各项构成的组：层状硅酸盐、云母、优选经煅烧的云母、硅灰石、氮化硼、高岭土、优选经煅烧的高岭土、蒙托石及其混合物。

4.如权利要求1至3之一所述的多层膜(1)，其特征在于，所述载体层(4)的填充材料具有5-70％、优选10-50％、最优选15-35％的重量份额。

5.如权利要求1至4之一所述的多层膜(1)，其特征在于，所述载体层(4)的纤维被用交联剂包封，所述交联剂优选地是马来化的梯度共聚物(随机共聚物)，所述梯度共聚物优选地选自烯烃组。

6.如权利要求1至5之一所述的多层膜(1)，其特征在于，所述载体层(4)的聚合物选自由下列各项构成的组：聚酰胺、聚酯、聚烯烃、聚丙烯酸酯、苯及其混合物。

7.如权利要求1至6之一所述的多层膜(1)，其特征在于，所述载体层(4)的聚合物是共聚物、嵌段共聚物、优选两嵌段共聚物、更优选三嵌段共聚物、或其氢化产物。

8.如权利要求1至7之一所述的多层膜(1)，其特征在于，所述载体层(4)的共聚物具有聚酰胺、烯烃、优选丙烯、聚丙烯酸酯或苯乙烯。

9.如权利要求1至8之一所述的多层膜(1)，其特征在于，所述载体层(4)具有聚合物合金，其中所述聚合物合金具有所述聚合物以及至少一种另外的聚合物，其中所述另外的聚合物优选地是与作为单体单元的烯烃、优选丙烯的共聚物。

10.如权利要求9所述的多层膜(1)，其特征在于，所述载体层(4)的所述另外的聚合物被羧化、马来化或者与3-环丁烯-1，2-二酮接枝。

11.如权利要求1至10之一所述的多层膜(1)，其特征在于，所述载体层(4)的聚合物或聚合物合金具有至少25％、优选50％-75％、更最优50％-85％、最优选65％-85％的重量份额。

12.一种用于制造如权利要求1至11之一所述的多层膜(1)的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

a)称重；

b)反应复合；

c)过滤；

d)共挤出；

e)表面处理；

f)借助于气刀进行峰谷深度为10-20μm的球状表面构造。

13.一种将如权利要求1至11之一所述的多层膜(1)用在太阳能电池中的应用。